福州市区粉质黏土动剪切模量与阻尼比试验研究.docx

福州市区粉质黏土动剪切模量与阻尼比试验研究 蔡辉腾1，2( 1 福州大学，福建福州 350003; 2星1，2金福建省地震局，福建福州 350003)摘要: 通过共振柱试验给出福州市区粉质黏土在动荷载作用下的剪切模量 G、阻尼比 ，详细探讨了应变幅值 、固结应力对试验结果的影响。结合理论分析，给出福州市区粉质黏土 G / Gmax 和 随 变化的拟合曲线及其参数，并 与推荐值和规范值进行对比。结果表明: G / Gmax - 关系中，规范值给出的 G / Gmax 最低，试验值最高; 在大、小剪应变时，试验值、规范值、推荐值三者给出的数值相近，但在中等剪应变时，三者相差较大，如在剪应变 为 10 4 时，试 验值和推荐值相差近 5% ，试验值和规范值相差近 20% ; - 关系中，试验值最大，推荐值和规范值相近，在剪应 变 为 10 4 时，三者阻尼比相差近 50% ，说明黏性土阻尼离散性较大。试验成果对本地区和东南沿海相似地质环 境地区实际工程具有一定的借鉴作用。关键词: 粉质黏土; 动剪切模量; 阻尼比; 共振柱试验; 固结应力中图分类号:文献标识码:TU411 3A文章编号: 1000-131X( 2011) S2-0110-04Testing study on dynamic shear modulus and damping ratio of siltyclay in Fuzhou downtown areaCai Huiteng1，2Jin Xing1，2( 1 Fuzhou University，Fuzhou 350003，China;2 Earthquake Administration of Fujian Province，Fuzhou 350003，China)Abstract: By means of the resonant column test，the shear modulus G and damping ratio under the influence ofdynamic load for silty clay in Fuzhou downtown area were first attained Then the effects of strain valueandconsolidation stress on the testing result were explored in details Combined with theoretical analyses，the fitting curveand parameter with the change of for G / Gmax and of silty clay in Fuzhou downtown area were presentedAnd bycomparing the recommended value and the code value，results showed that: In Relation G / Gmax -，G / Gmax given bycode value was the lowest while it was the highest by test value The values given by test value，code value andrecommended value were relatively approximate during large and small strains，whereas the three values were quitedifferent during moderate strain For instance，when shear strainis 10 4 ，the difference between test value andrecommended value is about 5% ，while the difference between test value and code value is about 20% ; In Relation-，the test value was the highest whereas code value and recommended value were approximate When shear strain is 10 4 ，the difference of damping ratio among the three values was about 50% ，which means the damping discreteness of clay soil is relatively large The test findings could be used as certain reference for practical projects in the local area and in the Southeast coastal area with similar geological environmentKeywords: silty clay; dynamic shear modulus; damping ratio; resonant column test; consolidation stressE-mail: caihuiteng 126 com是我国活动性最强的地震带之一，现今中小地震活动频繁，历史 上 曾 发 生过多次破坏性地震。同 时，前 人 的探测与研究表明，福州盆地及其周边地区断裂构造 发育，以北北西、北西和北东东走向的三组断裂为主， 第四纪有不同程度的活动，可能存在晚更新世活动断 层和全新世活动断层，未来仍具有发生破坏性地震 的引 言福州地处华南沿海地震带北段，华南沿海地震带基金项目: 国家科技支撑计划( 2009BAK55B00)作者简介: 蔡辉腾，博士研究生，工程师 收稿日期: 2011-06-10第 44 卷 增刊蔡辉腾等福州市区粉质黏土动剪切模量与阻尼比试验研究111结应力的增大，动剪切模量明显增大。可能性。动剪切模量 G 和阻尼比 作为土动力特性的重要参数，是土动力计算和工程场地地震安全性评 价中不可或缺的内容。在目前的动力分析中，大多仍 然采用等效线性化方法1-2，因此，需要确定土动力特 性中的 G / Gmax - 和 - 关系，它们是否符合实际情况对计算结果的准确有决定性作用3-4。福州为中低山 所环绕的典型断陷盆地地貌，粉质黏土相当发育。因 此，对福州粉质黏土的动剪切模量和阻尼比进行试验 研究，具有实际意义。本文利用 共 振 柱 试验仪进行了一系列不排水动 力试验，研究了福州市区粉质黏土在动荷载作用下的 剪切模量 G、阻尼比 ，分析了应变幅值 、固结应力对 试验结果的 影 响; 通过试验和理 论 分 析，给 出 了 福 州 市区粉质黏土的动剪切模量比和阻尼比随剪 应 变 幅 值变化的拟合曲线和拟合参数，并与前人同类结果进 行有益的对比。图 1 动剪切模量 G 与剪应变 的关系Fig 1 Relationship between dynamic shear modulus G and shear strain 动剪切模量 G 有随固结应力增大而增大的趋势，是因为试样的孔隙比随固结应力增大而减小，相对密 度增大，土颗粒接触点增加，使 得 应力波在土中的传 播更快，从而增大了动剪切模量 G。图 2 为粉质黏 土 阻 尼 比 与 剪 应 变 的 关 系 曲 线。从图 2 中可以看出，相比于动剪切模量 G 与剪应 变 的关系曲线，固结应力对粉质黏土阻尼比 的影 响不显著，且阻尼比与固结应力没有明显的相关性。试验概况1试验地点 为 中 国 地震局地球物理研究所岩土力 学实验室，试验仪器为从美国 GCTS 公司进口的 TSH-100 型共振柱 / 扭剪测试系统。试样尺寸为 50mm 100mm。在试验中，按文献5-6对试样进行成型，成 型后在共振柱试验仪上采用比例加载的等向 固 结 方 法进行土样固结，本次试验的固结比取为 1 0，待土样 固 结 完 成 之 后，在不排水的条件下施加不同级 别 扭 矩，进行共振柱扭剪试验。试样取样深度范围从4 0 38 4m 不等。各试样的取样深度、土体密 度、含 水 率、固结应力见表 1。表 1 各试样取样深度、容重指标、含水率、固结应力Table 1 Sampling depth，volumn weight index，water ratio and consolidation stress for each sample图 2 阻尼比 与剪应变 的关系Fig 2 Relationship between damping ratio and shear strain 序号取土深度( m) 土体密度( g / cm3 ) 含水率( % )固结应力( kPa)1234564 0 4 310 6 10 918 6 18 821 1 21 434 9 35 238 1 38 41 8722 0261 9812 0931 9811 79624 3626 8325 7120 8918 7118 5540100180212350380图 3 为粉质黏土动剪切模量 G 经过 Gmax 归一化后的 G / Gmax - 关系曲线。经过 Gmax 归一化后，不同固结 应力下试验点都集中于一个很小的条带内，试验点离 散性较小。可以说，粉质黏土的动剪切模量对其最大 动剪切模量具有较好的归一性。3试验结果分析2试验结果在不同固结应力下，粉质黏土的动剪切模量 G 与3 1试验结果拟合土体动剪应力-动剪应变关系采用 Masing 准则剪应变 的关系曲线如图 1 所示。由图 1 可见，动剪切模量 G 是剪应变 的函数，随着剪应变 的增大而明 显减小。动剪切模量随剪应变的 这 种 变 化 趋 势，反 映 了土的动应力 -应变关系的非线 性、滞后性的一般规 律。从图 1 中还可看出，在同样的剪应变水平下，随固( 1)=A + B由此可得到动割线剪切模量为:1( 2)G = A + B112土 木 工程学报2011 年图 3Fig 3动剪切模量比 G / Gmax 与剪应变 的关系Relationship between ratio of dynamic shear modulus G / Gmax and shear strain 同时，还可得到归一化的无量纲表达式:G1( 3)=Gmax1 + / r式中: 为动剪应力; 为动剪应变; r = A / B 为参考剪应变，A、B 为试验参数，由试验数据确定。通常，土体 的极 限 抗 剪 强 度 ult = 1 / B，土体的最大动剪切模量 Gmax = 1 / A，1 / B 也可通过 0 时的 G 值 即 为 Gmax 得到。参考剪应变 r 又可写为 r = ult / Gmax 。此外，试验研究 表 明，动 阻 尼 比 ，又 称 为 材 料 的 等效滞回黏弹性阻尼比，存在下述关系:表 2 G / Gmax - 关系比较 Table 2 Comparisons for relations of G / Gmax - M = max ( 1 G)G( 4)max剪应变( 10 4 )式中: max 为最大阻尼比，即为材料的最大等效滞回黏弹性 阻 尼 比; M 为 试 验 参 数。 max 、M 由 试 验 数 据 确定。图 4 和图 5 给出粉质黏土 G / Gmax - 和 - 拟合曲线及拟合参数。从图中可以看出，用 Masing 准则描述 粉质黏土的动本构是合适的，但是还是存在较大的离 散性，初步分析这和拟合样本不足有关。0 050 10 5151050100试验值推荐值 1 推荐值 2 规范值0 995 0 991 0 955 0 913 0 678 0 513 0 174 0 0950 994 0 986 0 927 0 863 0 556 0 385 0 111 0 0590 995 0 988 0 938 0 882 0 598 0 426 0 129 0 0690 980 0 970 0 840 0 730 0 400 0 250 0 070 0 030注: 推荐值 1 对应埋深10m; 推荐值 2 对应 10m埋深20m。试验结果比较分析目前我国 工 程 运 用 中，当无条件进行动力试验， 工程场地土壤动力特性参数一般通过以下两 种 途 径 获取: 中国地震局 1994 颁布的 DB 0011994工程场地地震安全性评价工作规范7 中给出的各类土壤G / Gmax - 和 - 关系数值结果( 本文简称“规范值”) ;“九五”期间，袁晓铭等8 利用改造后的共振柱仪， 对来自北京、上 海、天 津、南 京、大 连、太 原、沈 阳 和 哈尔滨等全国中东部十几个地区的常规土类进 行 了 大 量试验，给出的两种固结压力下典型土类 G / Gmax - 和 - 关系推荐值( 本文简称“推荐值”) 。表 2、表 3、图 6 和 图 7 为 本 次 试 验 结 果 与“规 范 值”、“推荐值”比较结果。纵观表 2、表 3、图 6 和图 7，有以下结果:3 2表 3 - 关系比较Comparisons for relations of -Table 3剪应变( 10 4 )0 050 10 5151050100试验值推荐值 1 推荐值 2 规范值0 033 0 042 0 070 0 086 0 132 0 152 0 180 0 1860 023 0 028 0 045 0 055 0 113 0 138 0 174 0 1800 017 0 019 0 025 0 039 0 091 0 116 0 156 0 1630 012 0 015 0 037 0 056 0 112 0 137 0 170 0 180注: 推荐值 1 对应埋深10m; 推荐值 2 对应 10m埋深20m。( 1) G / Gmax - 关系中，规范值给出的 G / Gmax 最低，试验值最高; 在大、小应变时，试验值、规范值、推荐值 三者给出的 数 值 相 近，但 在 中 等 应 变 时，三 者 相 差 甚 4远，如在剪应变 为 10时，试验值和推荐 值 相 差 近第 44 卷 增刊蔡辉腾等福州市区粉质黏土动剪切模量与阻尼比试验研究1135% ，试验值和规范值相差近 20% 。( 2) - 关系中，试验值最大，推荐值和规范值相近， 在剪应变 为 10 4 时，三者阻尼比相差近 50% ，这符合目 前有些学者的观点4，即黏性土阻尼的离散性较大。诚然，位于福州这种具备中 强 地 震 环 境，地 震 作用起控制作用的工程，土 动 力 特 性 中 G / Gmax - 和 - 关系准确与否对工程结构安全性和经济性影响巨大， 需慎重对待。试验值、推荐值和规范值三者取值不同 最终对土层地震反应的影响需通过计算进一步研究。参 考 文 献1梁旭，蔡袁强 复合地基动弹性模量和阻尼比的试验研究J 土木工程学报，2004，37( 1) : 96-101 ( Liang Xu，Cai Yuanqiang Study on the elastic modulus and the damping ratio of composite foundationJ China Civil Engineering Journal，2004，37( 1) : 96-101( in Chinese) ) 尚守平，卢华喜，任慧，等 粉质黏土动剪切模量的试验 对比研究J 岩 土 工 程 学 报，2006，28 ( 3 ) : 410-414( Shang Shouping，Lu Huaxi，Ren Hui，et al Comparative study on dynamic shear modulus of silty clayJ Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2006，28 ( 3 ) : 410-414( in Chinese) )Romo M P，Jaime A Dynamic characteristics of some clays of Mexico Valley and seismic response of the groundR Mexico City: Instituto de Ingenieria，1986Hadjian A H，Tseng W S，Chang C Y，et al The Learning from the large scale Lotung soil-structure interaction experimentsC/ / Proc 2nd Int Conf on Recent Adv in Geo Earth Engrg Soil Dyn St Louis，1991GB / T 501231999 土工试验方法标准S 北京: 中国 计划 出 版 社，1999 ( GB / T501231999 Standard for soiltest methodS Beijing: China Planning Press，1999 ( inChinese) )SL 2371999 土工试验规程S 北京: 中国水利水电 出版社，1999( SL2371999 Specification of soil testS Beijing: China WaterPower Press，1999( in Chinese) )DB 0011994 工程场地地震安全 性评价工作规范 M 北京: 地震出版社，1994( DB 0011994 Evaluation o